單相正弦波變換器的設計與仿真

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(1.西京學院，西安 710123；2.西安弘傳科技開發有限責任公司，西安 710001)

0 引言

隨著電力電子技術﹑計算機技術﹑自動控制技術的迅速發展，變頻器技術之源成為目前發展最為迅速的技術之一。逆變是變頻器技術的核心。方波輸出的逆變器效率雖然高，但對于都是為正弦波電源設計的電器來說，還是存在諸多問題，要么不適用，要么用起來電器的性能會變差，因此研究輸出高質量正弦波的變換器就顯得十分重要。

正弦波變換器應用非常廣泛，尤其是在不間斷電源(Uninterruptible Power Supply， UPS)中，它主要用于那些對交流電質量要求比較高的場合，如銀行﹑證券交易所的計算機系統，醫療設備，辦公自動化設備(Office Automation)等等。目前有很多設備采用DC/DC(或AC/AC)變換器升高到一個較高的電壓等級，再用DC/AC(或AC/AC)變換為所需交流電壓，然后并網或供給負載[1]。這種方式結構復雜﹑保護要求高并且實施控制難度大。

本文在低頻脈寬調制技術的基礎上，采用TMS320F2812DSP單片機控制輸出高頻PWM信號，調制得SPWM脈沖序列，濾波升壓后獲得高品質正弦波；驅動電路采用體積小、可靠性高的M57959L模塊；用放電阻止型RCD緩沖電路作過壓保護，并且在逆變輸出處加LC帶阻濾波器來減小載波頻率諧波的影響，再經RLC低通濾波器，保證正弦變換器輸出高質量正弦波，給出了仿真及實驗結果。

1 主電路拓撲及SPWM產生原理

圖1 正弦變換器主電路結構框圖

圖2 單極倍頻SPWM調制原理圖

在這里SPWM的具體實現，參考文獻2中基于模型目標代碼自動生成的方法，TMS320F2812DSP為控制芯片，用Target Support Package T2建立SPWM控制模型，在Simulink環境下進行算法仿真并生成代碼，最后下載到控制芯片DSP中運行，實現起來簡單方便[2]。

2 逆變器的驅動與保護

2.1 驅動電路

隨著電子科技的發展，電子元器件集成化越來越高，綜合考慮實現快捷、生產成本、變頻器性能和體積等因素后，本文采用M57959L型IGBT驅動模塊[3]。IGBT驅動電路連接圖如圖3所示，IGBT控制信號由13引腳輸入，經隔離放大后送給功率管柵極，并且模塊內部設有保護電路，若工作時發生過流時，8引腳就會輸出故障信號，送給控制器DSP，然后由DSP做相應控制處理操作。

圖3 IGBT驅動電路連接圖

2.2 過電壓保護

IGBT開關速度快，保證了變頻器的高頻化的同時也帶來了很高的、并引發關斷浪涌電壓。過電壓保護電路也稱緩沖電路，是逆變器的重要部分。本文采用放電阻止型緩沖電路[4]，如圖4所示。

圖4 放電阻止型緩沖電路

放電阻止型緩沖電路對關斷浪涌電壓有很好的抑制作用，最適合高頻交換用途。

關斷浪涌電壓的峰值VCE和阻值分別如下

VCE=Ud+VFM+(-Ls×dIc/dt)

(1)

緩沖電路中緩沖電容器電容值為

緩沖二極管應選瞬態正向電壓低、反向回復時間短、反向恢復平順的二極管。

3 濾波器

濾波器是輸出電壓為正弦波的檢驗設備，逆變輸出電壓的傅里葉展開式為

(2)

式中，m—幅值調制比，0≤m<1；ωs—調制波角頻率；ωc—載波角頻率；k=1，2，3…。

式(2)中的第1項為基波成分，幅值為Udm；第2項為諧波成分，把它定義為Q。根據貝塞爾公式[5]

將式子Q展開得

(3)

圖5 濾波器原理圖

4 實驗結果

單極倍頻SPWM控制的正弦變換器仿真參數[8]：額定容量1.5kVA，輸入電壓24V DC,輸出電壓220V/50Hz,變壓器匝數比N1∶N2=1∶11，開關頻率40kHz，逆變橋功率開關驅動信號如圖6所示；逆變器輸出電壓波形如圖7所示；正弦變換器輸出電壓波形如圖8所示；FFT諧波分析圖如圖9所示。總諧波畸變率THD=0.24%,輸出電壓波形正弦性很好，證實了該設計方案的可行性。

圖6 逆變橋功率開關驅動信號

圖7 逆變器輸出電壓波形

圖8 正弦變換器輸出電壓波形

圖9 FFT諧波分析圖

5 結語

本文分析了單極性倍頻SPWM調制原理，用TMS320F2812DSP單片機作為控制芯片實現了工作頻率的高頻化﹑控制技術的數字化；IGBT驅動電路采用閉環控制方式和模塊化結構，有效地提高了正弦變換器的可靠性，減小了裝置體積；高頻正弦變換器中設置了過流保護電路和過壓保護電路，提高了變換器工作可靠性，并且用LC帶阻濾波器和RLC低通濾波器進行雙重濾波，保證變換器輸出為高品質正弦波。

本文介紹了一種電動機控制使用的功率正弦變換器的實現方法，詳細地說明了主電路設計與實現，并通過仿真和實驗證實了所提方案的正確性。

[1] 王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].機械工業出版社，2010.1.

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